实验 05：按键控制 LED

🛒 开发板购买: EK303 GW1N FPGA核心板

一、实验目的

掌握 Verilog 模块例化——将实验 04 的消抖模块作为子模块调用。
学习参数传递 #(.PARAM(val)) 的语法，实现可配置的模块复用。
理解 Toggle 翻转逻辑——按一次亮、再按灭。
掌握多模式状态机设计——在不同的 LED 工作模式间切换。

二、实验过程

2.1 硬件连接

外设	引脚
KEY1	69
KEY2	70
LED1~3	Pin 8 / 9 / 10

2.2 设计思路

系统结构：

KEY1 ──→ [消抖] ──→ key1_pressed ──→ [Toggle逻辑] ──→ led1
KEY2 ──→ [消抖] ──→ key2_pressed ──→ [模式状态机] ──→ led2, led3

功能设计：

按键	功能	详细
KEY1	Toggle	按一次 LED1 翻转亮灭状态
KEY2	模式切换	按一次切换 LED2/LED3 工作模式

三种模式：

模式	LED 行为
模式 0	全部常灭
模式 1	LED2 以 1Hz 闪烁
模式 2	LED2 和 LED3 交替闪烁

2.3 Verilog 模块设计

顶层模块名：key_ctrl_led

例化的子模块：两个 key_debounce 实例（分别处理 KEY1 和 KEY2）。

顶层端口：

端口	方向	位宽	说明
`clk_50m`	input	1	时钟
`key1, key2`	input	1	两个按键输入
`led1, led2, led3`	output	1	三个 LED

内部信号：

信号	说明
`key1_pressed`	KEY1 消抖后的脉冲
`key2_pressed`	KEY2 消抖后的脉冲
`mode` (2 bit)	当前模式编号 (0/1/2)
`led1_state`	LED1 当前亮灭状态
`blink_cnt` (26 bit)	1Hz 闪烁计数器

逻辑描述：

例化两个消抖模块，分别处理 KEY1、KEY2。
key1_pressed 脉冲到来 → led1_state <= ~led1_state（Toggle）。
key2_pressed 脉冲到来 → mode <= mode + 1（循环 0→1→2→0）。
根据 mode 值驱动 LED2/LED3：

mode 0：全部输出 0（灭）。
mode 1：LED2 用 1Hz 计数器翻转。
mode 2：LED2 和 LED3 以 1Hz 交替（LED2 亮时 LED3 灭，反之亦然）。

2.4 引脚约束

信号	约束
`key1, key2`	`IO_LOC` 对应按键引脚，`PULL_MODE=UP`
`led1~3`	Pin 8/9/10，`IO_TYPE=LVCMOS33`

三、实验现象

操作	现象
按下 KEY1	LED1 亮；再按，LED1 灭；交替切换
按下 KEY2（第 1 次）	进入模式 1：LED2 开始以 1Hz 闪烁
按下 KEY2（第 2 次）	进入模式 2：LED2 和 LED3 交替闪烁（你亮我灭）
按下 KEY2（第 3 次）	进入模式 0：所有 LED 灭
继续按 KEY2	模式循环 0→1→2→0...

按键响应准确，每个模式切换有即时视觉反馈。

四、掌握知识点

知识点	说明
模块例化	`key_debounce #(.DEBOUNCE_MS(20)) u_key1(...)`
参数传递	`#(.PARAM(val))` 让模块可配置
Toggle 逻辑	`state <= ~state` 一比特翻转
多模式状态机	`case(mode)` 控制不同行为
交替闪烁	`led2 <= blink; led3 <= ~blink` 反向驱动

五、思考题

如果 KEY2 要支持 5 种模式，需要修改哪些代码？位宽够吗？
怎么在模式切换时让 LED 闪烁两次作为"模式切换确认"信号？
消抖模块的 DEBOUNCE_MS 参数在例化时怎么传入？

附录：源码清单

`top.v`

// =============================================================================
// top.v - 按键控制LED (Key Control LED)
// 芯片: GW1N-LV9LQ144C6/I5
// 时钟: 50MHz (Pin 98)
//
// 功能:
//   KEY1 (Pin 69): Toggle LED1 — 按一次翻转LED1亮灭状态
//   KEY2 (Pin 70): 模式切换  — 按一次在三种模式间循环切换
//
//   模式0: 全部LED灭
//   模式1: LED2 以 1Hz 闪烁
//   模式2: LED2 和 LED3 以 1Hz 交替闪烁 (你亮我灭)
//
// 子模块:
//   例化两个 key_debounce 实例 (来自实验04), 分别处理 KEY1 和 KEY2
// =============================================================================

module key_ctrl_led (
    input  wire clk_50m,      // 50MHz 系统时钟
    input  wire key1,         // KEY1 (Pin 69, 按下低电平)
    input  wire key2,         // KEY2 (Pin 70, 按下低电平)
    output reg  led1,         // LED1 (Pin 8, Toggle控制)
    output reg  led2,         // LED2 (Pin 9, 模式控制)
    output reg  led3          // LED3 (Pin 10, 模式控制)
);

    // =========================================================================
    // 本地参数
    // =========================================================================
    localparam BLINK_HALF_MAX = 26'd24_999_999;  // 0.5s @ 50MHz → 1Hz闪烁
    localparam MODE_MAX       = 2'd2;             // 最大模式编号

    // =========================================================================
    // 内部信号
    // =========================================================================
    wire key1_pressed;        // KEY1 消抖后的脉冲
    wire key2_pressed;        // KEY2 消抖后的脉冲

    reg  [1:0] mode;          // 当前模式: 0/1/2
    reg  [25:0] blink_cnt;    // 1Hz 闪烁计数器

    // =========================================================================
    // 子模块例化: KEY1 消抖
    // 参数 DEBOUNCE_MS=20 → 20ms 消抖
    // =========================================================================
    key_debounce #(
        .DEBOUNCE_MS(20)
    ) u_key1_debounce (
        .clk_50m     (clk_50m),
        .key_in      (key1),
        .key_pressed (key1_pressed)
    );

    // =========================================================================
    // 子模块例化: KEY2 消抖
    // =========================================================================
    key_debounce #(
        .DEBOUNCE_MS(20)
    ) u_key2_debounce (
        .clk_50m     (clk_50m),
        .key_in      (key2),
        .key_pressed (key2_pressed)
    );

    // =========================================================================
    // KEY1 处理: Toggle LED1
    // 每次 key1_pressed 脉冲到来时，翻转 LED1 的亮灭状态
    //
    // 效果:
    //   按一下 → LED1 亮 (led1=1)
    //   再按   → LED1 灭 (led1=0)
    //   再按   → LED1 亮 (led1=1) ... 如此往复
    // =========================================================================
    always @(posedge clk_50m) begin
        if (key1_pressed)
            led1 <= ~led1;
    end

    // =========================================================================
    // KEY2 处理: 模式切换
    // 每次 key2_pressed 脉冲到来时，mode 循环递增: 0→1→2→0→1→2...
    // =========================================================================
    always @(posedge clk_50m) begin
        if (key2_pressed) begin
            if (mode == MODE_MAX)
                mode <= 2'd0;       // 超出最大值则回0
            else
                mode <= mode + 1'b1;
        end
    end

    // =========================================================================
    // 1Hz 闪烁计数器
    // 自由运行: 0→24,999,999→0 循环
    // 半周期 = 0.5s = 25,000,000 个时钟周期
    // =========================================================================
    reg blink_toggle;   // 1Hz 翻转信号

    always @(posedge clk_50m) begin
        if (blink_cnt == BLINK_HALF_MAX) begin
            blink_cnt    <= 26'd0;
            blink_toggle <= ~blink_toggle;
        end else begin
            blink_cnt <= blink_cnt + 1'b1;
        end
    end

    // =========================================================================
    // 模式输出逻辑
    //
    //   模式0 (2'd0): 全部LED灭
    //     led2 = 0, led3 = 0
    //
    //   模式1 (2'd1): LED2 1Hz闪烁, LED3灭
    //     led2 = blink_toggle, led3 = 0
    //
    //   模式2 (2'd2): LED2/LED3 交替闪烁
    //     led2 =  blink_toggle
    //     led3 = ~blink_toggle    (与LED2反相, 你亮我灭)
    // =========================================================================
    always @(posedge clk_50m) begin
        case (mode)
            2'd0: begin
                led2 <= 1'b0;
                led3 <= 1'b0;
            end

            2'd1: begin
                led2 <= blink_toggle;
                led3 <= 1'b0;
            end

            2'd2: begin
                led2 <= blink_toggle;
                led3 <= ~blink_toggle;
            end

            default: begin
                led2 <= 1'b0;
                led3 <= 1'b0;
            end
        endcase
    end

    // =========================================================================
    // 上电初始值
    // =========================================================================
    initial begin
        led1         = 1'b0;     // 初始LED1灭
        mode         = 2'd0;     // 初始模式0 (全灭)
        blink_toggle = 1'b0;     // 闪烁信号初值
    end

endmodule

一、实验目的​

二、实验过程​

2.1 硬件连接​

2.2 设计思路​

2.3 Verilog 模块设计​

2.4 引脚约束​

三、实验现象​

四、掌握知识点​

五、思考题​

附录：源码清单​

top.v​

一、实验目的

二、实验过程

2.1 硬件连接

2.2 设计思路

2.3 Verilog 模块设计

2.4 引脚约束

三、实验现象

四、掌握知识点

五、思考题

附录：源码清单

`top.v`